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중력구배기반 항법 구현 및 수평위치 정확도 분석
Development of Gravity Gradient Referenced Navigation and its Horizontal Accuracy Analysis 원문보기

한국측량학회지 = Journal of the Korean Society of Surveying, Geodesy, Photogrammetry and Cartography, v.32 no.1, 2014년, pp.63 - 73  

이지선 (Dept. of Geoinformatics, University of Seoul) ,  권재현 (Dept. of Geoinformatics, University of Seoul) ,  유명종 (Agency of Defense Development)

초록
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최근 의도적인 간섭 또는 전파교란으로 인한 위성기반항법시스템(GNSS)의 정확도 저하 문제가 대두되면서 GNSS를 사용할 수 없는 환경에 대응할 수 있는 항법 기술 중 하나로 데이터베이스(DB)를 기반으로 한 항법 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 지구물리 DB 중 중력구배를 선정하여 우리나라 중력구배 DB를 구축하고, 확장형칼만필터(EKF)를 적용하여 중력구배기반 항법을 구현하였다. 항법 성능은 시뮬레이션을 통해 분석하였으며, 우리나라 전역에 14개의 비행궤적을 생성한 후 다양한 DB와 센서 오차, 그리고 고도에 따른 영향을 고려하였다. 비행성능을 분석한 결과 DB와 센서 오차가 작을수록, 고도가 낮을수록 정밀한 항법이 가능함을 확인하였다. 또한, DB 기반의 항법시스템 중 가장 널리 알려진 지형참조 항법과 상대적인 성능 분석을 수행한 결과, 고도가 낮은 경우는 DB 및 센서 오차와 무관하게 대체로 중력구배기반 항법이 우수한 성능을 나타내었다. 그러나 고도가 높아지면 높은 정밀도의 중력구배계와 중력구배 DB를 탑재한 경우에만 지형참조 항법의 결과와 유사한 수준의 항법이 가능하였다. 본 연구에서 고려한 DB와 센서 오차, 고도 외에도 DB 해상도, 비행속도 및 갱신 주기 등 중력구배기반 항법에 영향을 미치는 다양한 요인이 있으므로 이를 고려한 분석이 추가로 수행되어야 할 것이다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Recently, researches on DBRN(DataBase Referenced Navigation) system are being carried out to replace GNSS(Global Navigation Satellite System), as weaknesses of GNSS were found that are caused by the intentional interference and the jamming of the satellite signal. This paper describes the gravity gr...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 GNSS를 사용할 수 없는 환경에 대응하여 INS의 오차를 보정할 수 있는 정밀 항법 시스템 구축을 목적으로 우리나라 중력구배 DB를 구축하고, 이를 기반으로한 항법 알고리즘을 구현하였다. 중력구배 DB는 균일한 정밀도 및 해상도를 갖도록 지형자료와 가용한 육상중력자료를 이용하여 중력이상값을 모델링 한 후 이를 Stokes' 적분하여 섭동포텐셜을 계산하고 다시 수평 및 수직방향으로 미분하는 두 단계를 거쳐 구축하였다.
  • 특히, 중력구배를 이용하는 경우는 독립적인 관측치를 동시에 다섯 개나 획득할 수 있다는 장점 때문에 선진국에서 많은 관심을 두고 있는 분야이다. 본 연구에서는 GNSS를 이용할 수 없는 경우 중력구배를 기반 항법의 효용성을 검토하기 위해 우리나라의 중력구배 DB를 구축하고, EKF를 바탕으로 중력구배 기반 항법시스템을 구현하였으며, DB/센서 오차, 비행고도를 고려한 시뮬레이션을 수행하여 항법 성능을 분석하였다.

가설 설정

  • 중력구배기반 항법 결과를 면밀히 분석하기 위해 기존에 널리 사용되던 지형참조 항법 결과와 비교하였다. 대조군이 되는 지형참조 항법의 시뮬레이션에서는 이동체가 3arcsec 해상도의 SRTM 지형 DB를 탑재하고 있다고 가정하였으며, 이 때 DB 오차는 5m로 설정하였다. 지형고도를 추정하기 위한 센서로는 기압도고계와 전파고도계를 탑재하고 있으며 센서 각각의 정밀도를 5m라고 가정하였을 때 센서로부터 추 정된 지형고도는 약 10m 수준의 오차를 갖는다.
  • 항체는 스트랩 다운(strapdown) INS와 중력구배계, 기압고도계(barometric altimeter) 및 전자나침반(compass) 센서와 중력구배 DB를 탑재하고 운항한다고 가정하였다. 이 때, 항체의 속도, 자세 변화 때문에 발생하는 오차를 최소화하기 위해 중력구배계는 안정화된 플랫폼(stabilized platform)에 부착되어 있다고 가정하며, 중력구배계의 종류는 구배 텐서를 모두 측정할 수 있는 FTG(Full Tensor Gradiometer) 타입을 선정하였다. 중력구배계와 기타 센서(기압고도계 및 전자나침반)를 이용한 보정항법 알고리즘으로는 EKF를 이용하였다.
  • 3은 중력구배기반 항법의 개략도이다. 항체는 스트랩 다운(strapdown) INS와 중력구배계, 기압고도계(barometric altimeter) 및 전자나침반(compass) 센서와 중력구배 DB를 탑재하고 운항한다고 가정하였다. 이 때, 항체의 속도, 자세 변화 때문에 발생하는 오차를 최소화하기 위해 중력구배계는 안정화된 플랫폼(stabilized platform)에 부착되어 있다고 가정하며, 중력구배계의 종류는 구배 텐서를 모두 측정할 수 있는 FTG(Full Tensor Gradiometer) 타입을 선정하였다.
  • 중력구배기반 항법 성능을 분석하기 위한 시뮬레이션 환경은 다음과 같다. 항체는 전술급(navigation grade) IMU인 LN100과 FTG 중력구배계, 기압고도계 및 전자나침반과 앞서 구축한 해상도 30arcsec의 중력구배 DB를 탑재하고 운항한다고 가정한다. 탑재한 센서의 사양은 Table 2, 3과 같다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
관성항법시스템은 어떤 방법인가? 항체(vehicle)에서 보편적으로 사용하는 항법시스템으로는 INS(Inertial Navigation System)로 대표되는 관성항법 시스템과 위성항법시스템이 있다. 관성항법시스템은 가속도계와 자이로로 구성된 MU(Inertial Measurement Unit) 로부터 획득한 관측치를 적분하여 이전 위치를 기준으로 현재 위치를 추정하는 방법으로 외부 센서없이 독립적인 운용이 가능하다는 장점이 있다. 그러나 측정치 오차, 초기값 설정 오차 등 많은 오차 요인에 의해 시간이 지날수록 오차가 누적되기 때문에 적절한 보정이 수반되지 못하면 이동체의 위치를 제대로 추정할 수 없다 (Groves, 2007).
중력, 지자기 자료가 지형자료에 비해 널리 활용되지 못한 이유는 무엇인가? 지형자료를 이용한 항법시스템은 1950년대 개발된 ATRAN(Automatic Terrain Recognition And Navigation)을 시작으로 TERCOM(TERrain COntour Matching), SITAN(Sandia Inertial Terrain-Aided Navigation), PTAN(Precision Terrain Aided Navigation)까지 다양하며, 현재까지 구현된 항법시스템의 성능은 수십 미터 수준으로 알려져 있다 (Koch and Evans, 1980; Hollowell, 1990; Laur and LLanso, 1995; Honeywell, 2005). 중력, 지자기 자료의 경우도 1960년 대 항법에 적용하기 위한 연구가 시작되었으나 측정센서 및 정밀한 DB 구축의 어려움과 환경적 요인에 따라 획득한 자료에 잡음이 많이 나타난다는 점 때문에 지형자료에 비해 널리 활용되지는 못하였다. 그러나 1990년대 이후 부피가 작고, 측정 정밀도가 높은 중력구배계의 개발에 힘입어 2000년대 들어 미국, 중국 등 몇몇 국가에서 중력을 이용한 항법 알고리즘 연구가 다시 시작되었다 (Vajda and Zorn, 1998; Rice et al.
관성항법시스템의 단점은 무엇인가? 관성항법시스템은 가속도계와 자이로로 구성된 MU(Inertial Measurement Unit) 로부터 획득한 관측치를 적분하여 이전 위치를 기준으로 현재 위치를 추정하는 방법으로 외부 센서없이 독립적인 운용이 가능하다는 장점이 있다. 그러나 측정치 오차, 초기값 설정 오차 등 많은 오차 요인에 의해 시간이 지날수록 오차가 누적되기 때문에 적절한 보정이 수반되지 못하면 이동체의 위치를 제대로 추정할 수 없다 (Groves, 2007). 위성항법시스템은 위성에서 발사된 전파를 이용하여 자신의 위치를 결 정하는 방법으로 미국의 GPS(Global Positioning System), 러시아의 GLONASS(GLObal NAvigation Satellite System) 등이 대표적이다.
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참고문헌 (14)

  1. Brown, R.G. and Hwang, P.Y.C. (1997), Introduction to Random Signals and Applied Kalman Filtering 3rd Edition, John Willey & Sons Inc., New York, NY, USA, 480p. 

  2. Heiskanen, W.A. and Moritz, H. (1967), Physical Geodesy, W. H. Freeman and Co, San Francisco, CA, USA, 403P. 

  3. Hollowell, J. (1990), HELI/SITAN: A terrain referenced navigation algorithm for helicopter, Proceedings of IEEE Position Location and Navigation Symposium, IEEE, 20-23 March, Las Vegas, NV, USA, pp. 616-625. 

  4. Honeywell (2005), Precision Terrain Aided Navigation (PTAN), Honeywell International Inc., New Jersey, NJ, USA, http://www.honeywell.com/sites/servlet/com.merx.npoint.servlets.DocumentServlet?docidD01BFCE4D-78D2-A2C0-D1D9-115FAEC2DCE7, (last date accessed: 24 January 2013) 

  5. Jekeli, C., Yang, H.J., and Kwon, J.H. (2009), Using gravity and topography-implied anomalies to assess data requirements for precise geoid computation, Journal of Geodesy, Vol. 83, No. 6, pp. 1193-1202, 

  6. Koch, R.F. and Evans, D.C. (1980), ATRAN terrain sensing guidance the grand-daddy system, Proceedings of the Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers, Image Processing for Missile Guidance, 23, December, San Diego, CA, USA, pp. 2-9. 

  7. Laur, T.M. and Llanso, S.L. (1995), Encyclopedia of Modern U.S. Military Weapons, The Army Times Publishing Company with Berkley Publishing Group, New York, NY, USA, 496p. 

  8. Lizhi, Z. (2007), Gradient Modeling with Gravity and DEM, Report No. 483, The Ohio State University, Columbia, OH, USA, pp. 44-52. 

  9. Mok, S., Bang, H., and Yu, M. (2012), Performance comparison of nonlinear Kalman filtering based terrain referenced navigation, Journal of Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, Vol. 40, No. 2, pp. 108-117. (in Korean with English abstract) 

  10. NGII (2013), Construction of Precision Geoid Model in Korea, No. 11-1613436-000018-01, NGII, Suwon, Korea, pp. 10-12. (in Korean) 

  11. Rice, H., Mendelsohn, L., Aarons, R., and Mazzola, D. (2000), Next generation marine precision navigation system, Proceedings of IEEE Position Location and Navigation Symposium, IEEE, 13-16 March, San Diego, CA, USA, pp. 200-206. 

  12. Richeson, J.A. (2008), Gravity Gradiometer Aided Inertial Navigation Within Non-GNSS Environments, Ph. D. dissertation, University of Maryland, College Park, MD, USA, 405p. 

  13. Titterton, D. and Weston, J.L. (2004), Strapdown Inertial Navigation Technology 2nd Edition, The Institution of Electrical Engineers, London, UK, 558p. 

  14. Vajda, S. and Zorn, A. (1998), Survey of existing and emerging technologies for strategic submarine navigation, Proceedings of IEEE Position Location and Navigation Symposium, IEEE, 20-23 April, Palm Springs, CA, USA, pp. 309-315 

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